（电力电子与电力传动专业论文）基于三相电能监控的远程抄表技术.pdf

a b s t r a c t r e m o t ed a t a c o l l e c t i o nt e c h n o l i g yb a s e do n t h r e e p h a s ee n e r g ym o n i t o r i n gs y s t e m c a n d i d a t e ：z h a o 】【i u z h i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n gp i n g l d e l d a r t m e n to fe l e e t r i e a le n g i l t e e r i n g s o u t h e a s ti j n i v e r s i t y , c h i n a t h i s 阳p e ri x 毯e n l 3a b r o a d 偿v i e wo fr e m o t et r a n s f o r m e rm o n i t o n n gs y s t e mb ya n a l y z i n gt h ep t 惜e n t c o n d i t i o n so f a p p l i c a t i o na n dm o n i t o r i n gm o d e w es t i i l 碴t h ea v a i l a b i l ! t yo ft h er e l n o 幢e l e c t r i cq u a 咖 m o n i t d r i 嚏o a t l l m l t e l e c t r i c 阳n 鼬哪o f l a w n s f o m l 阿c a n b e 们噶l l l j 倒i , y a l i r i d s o f n e t w o r ka n d a 仃i e 体，s u c h 越g p r s ，i $ t n , c a r m , g s m a n d o p t i c a if i b e r c o m b i n e d t h e 叫盯眦s i t u a t i o n o f o u r 删l 口y ，t r a r a m i 蜘n gt h e 出口b yt h ea r sh a sm u c hn l o 他a d v a n t a g e t h em o n i t o r i 妪s y s 蜘o fr e l n o 舱e l e c t r i cq u a n t l t yb a s e d0 1 1g p r so l 描i n st h ee l e c l l l c a ip , 1 例_ 啦略 o f i r a n s f o r m e r 钾t h e 出口a c q t t l s l t l o n m o d u l e , h a s t c o m p t 艟r d i a l se v e r m o n i t o r e ds t a d o n b yr o l ip o i i i 呜 i n f e r i o r p 旧0 咚s w 们惜i i l i b 出诅s 幻t h e c o m l m m i 1 1 s u p e r i o r m o n i t o r i n g c e f l l 3 e l r m r o u g h g p r sf o r s l d r a g e a n d p r o c e s s i n g , t o p r o v i d e t h e a n a l y s i sa n ds t a t i s t i c s f o r t h es u p e r v i s o rs e c t i o n t i 峙s y s l 呛m i ss i m p l e a n d d 瞄p ，a n di t w | l ih a v eag o o dp r o s p e c to fa p p l i c a t i o nl ne l e a l i c a is y s 幢m r e m o t e 出a 嘲d i n ga n d t r a n s f e r t a k e s ：a l l i m p o m n t o o s i t l o n i nr e a l - t l n 静c o l l l n l t l m a t l o ns y s 啪 r e m o 也出t l l 哟d i 呜a n d t r a n s f e r s y s t e r n a nr e a l i z e f u n c t i o n s o f i e 1 1 1 0 也c o m m a n d a n ds u p e r v i s i o n t l i e r m r e a d i n gs y s t e mi san e l g h b o r h 0 0 凼i n t e l l i g e n c em a n a g e m e n t s y s 也mh a s e do rt h et h e o r yo fr e n l o 幢 出臼t e a d i n ga n di r a m f e r i nt h i sa i d d e , h o w r e a l i z et h ef u n c d so ft h er e m o 怔r e a d i n gs y s t e mt h r o u g h 旧d i n g , s t o r i n g a n d t r a n s f e r o f d a 口i sa n a l y z e d a s w e l l ，c o n t e f l l $ l b o t l l t t h e o l i l e sa n d a p o i i c a t i o n o f l n 自f l l i g e n c ed a t ab u s t h e 地r m i m ir e a d i n gm o d u l ea n dc e n l l e rm o d u l e , i r ea l s oc o n c e r n e d 1 n h a r d w a r es y s 伯m d e s i g n , w e a d o l l l l e d t h e 耐c r o c o n t r o l l e r o f i i x ：9 驼a s t h e m a i nc o n t r o l l e r o f i n f e r l o rp r o c 5 s o t t , l t s1 1 1 5 e d d l o i c et h r e e - o h a s ee l l e l l l y cl a n g r a a g e s 啦e d p r o g r a m 由es o f l w a r eo f 怕d e v i c e r e a l i z ed * 出口t r a t 岱m i s s l o nb e t w e e na 弱6 0 a n ds i n g l e d i i pm i c r o c o m p u t e r o i f t h e m o n i t o d n gs y s t e m i sp u t t o u s e s t h e o l d w 饼协r 瞎m o d e h a sb e 朗c h a n g e d , t h e n l a l l a g e m e r i t i e v e i a n dw o f l ce f f l d e n c yh a sb e e ni i l a p l o v e d ，a sar e s u l t , p t 撼o n n e la n dm a m i a i 惜o u 嘣a l es a v e d 1 ti s a c t r a o r d i m r i l yf i t m tf o rm o n i t 翻 t r i gi o l d - m a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n t o ft e l a l i r e l ys c a t m e d i i a l e f o n l l e r 5 n 伯n ye c o n o m i ca n ds o d a ib e n e f i t sh a v eb e e no i 魍i n e da p p a n t n l t l y i o yw o r d ：i l e m o 幢m o n i t o d n gs y s t e m , g p r s ，cr e a d i n g , s i n g l e - - c h i pm i c r o c o m l m 幢n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：鸽l 日 期：a 豳色上l 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：毒玉考也导师签名： 日期：垒：! ! 堡：乡 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了远程数据采集与远程传输系统的现状，然后对常用通信方式进行了简单介绍， 通过远程数据采集与传输系统在实时数据通信中的应用，引出了在监控系统中广泛应用的远程抄表 系统 1 1 远程抄表技术研究的目的及意义 信息通信是推动人类社会进步与发展的巨大动力。按照信息通信交流方式与技术的不同可以把 历史划分为五个阶段。第一阶段是语言，人们通过人力、马力等原始信息通信手段传递信息。第二 阶段从发明文字和邮政通信为标吝。第三阶段以发明印刷术为标志。第列阶段从电报，电话和广播 的发明开始，从那以后进入了电气通信的时代，通信技术得到了迅速的发展。第五阶段为信息时代， 随着现代科学技术和现代化经济的发展，人类社会对信息传递、处理和储存的要求愈来愈高，信源 的种类愈来愈多，不仅有语言，还包括有数据、图像和文本信息等。在第五阶段中，通信与计算机 已经更加有机地结合起来。 电是每一国家、地区、工厂、家庭乃至个人必不可少的。但电力资源是有限的。而我国就是一 个电力资源相对匾乏的国家，让有限的资源充分发挥作用是十分重要的，加强对电力资源的合理利 用与有效管理。现在，随着城市、农村电力网的改造。电力线的传输质量也有了很大的提高，这必 然造成用户用电量的迅速增加，变压器的数量也在迅速得到增加。为了对每个变压器所辖区域的用 电量及线路上的损耗进行统计。防止用户窃电、及时了解和检修线路、迅速维修出故障的变压器等 情况，就必须对变压器进行实时检测和控制，这就涉及到对变压器的监控问题。虽然目前也有部分 变压器配有检测措旋，但也大多是直接将监控设备安装在变压器处，管理人员必须亲自到现场才能 获得变压器各个参数。因而这种方式很机械，费时费力，这就迫切的需要一种新型的监控方式来替 代它! 远程电量监控系统也即是一种远程自动抄表系统埘r s ( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ) ，它 使用通信技术、计算机技术、微电子技术和网络技术相结合，通过公共电话网络、无线通信网、中 低压电力线，g s h 等建立联系，将电力用户电量信息自动传输到远程计算机中心进行存贮和处理，产 生电力部门所需的数据信息和报表。为相关管理人员提供及时准确、完整的电量数据。提高我国电 网运行和管理的自动化水平。针对各个地区变压器覆盖范围广、位置比较分散和数量多等特点，我 们提出了一种远程监控方式。这种监控方式可以让电力部门的管理人员直接方便地从自己监控中心 的电脑上得到有关每个变压器的使用情况，简单、方便、及时、准确。这种监控方式利用单片机和 采集芯片进行终端数据采集，利用g p r s 进行数据参数传输，从而组成一个有效的远程电量管理通信 监控系统，实现对耗电量的集中管理。 这种远程电量监控系统能对变压器进行远程实时监控，电力管理部门可以获得各种信息，如电 能需求量、线路故障和线损等，这样，就可以更加合理的配置电力资源，使电能量得到最大限度使 用，而不会出现浪费同时，这种方式充分利用了网络资源，提高了用电管理的自动化水平和现代 化水平 东南大学硕士学位论文 1 2 远程电量监控系统的国内外发展动态 目前流行的远程电量监控系统基本有：数据采集、主站系统及通信网络等。其中数据采集器一般 利用单片机组成。采集到的电能量的相关数据存储在单片机中，如何将数据发送到远方的主站系统， 这就涉及到远程数据通信的问题。 当今传输远程电量数据的方式主要有：专用线通信( 4 8 5 通信方式) ，无线组网通信方式、基于 p s t n ( 公共电话网) 通信方式、电力载波通信方式。 专用线通信方式一般采用4 8 5 通信网络，由于4 8 5 总线方式的通信技术非常成热，不存在任何技 术问题，但由于该方式必须架设专用通信线，使得施工量大、综合成本高，专线维护运行费用高、 旧城区施工难度大等问题通常不为供电企业所接收。 利用无线电波进行无线通信。其特点是传输频带较宽，通信容量较大( 可达几千个站点) ，通信 距离长( 一般几十公里) 使用这种通信方式，安装调试方便。可采取点对多点的通信方式，在进行 通信时，电力管理中心主机控制无线电台发出呼叫命令，各站点收到命令后进行地址对比，如正确 则发出应答信号，完成数据链路的建立，然后进行数据通信。主要缺点是需申请频点使用权。如果 频点选择不合理，相邻两个信道会产生相互干扰。一般情况下，小型无线电台的通信速率较低，常 为6 0 0 b p s 或1 2 0 0 b p s ，且设备及安装成本较高，所以该通信方式的使用场合有一定限制。目前已有车 载无线通信方式投入运行于电力系统中。 由于电话网在城镇的迅速普及，利用现有的电话网进行远程数据传输是一个经济有效的方案。 其通信速率同样可达2 4 k b p s ，9 6 k b p s 甚至5 6 k b p s 。这样的传输速率己经能很好的满足电力系统传送 电力参数的需要。主机对分站点的呼叫可以通过拨号由交换机自动完成，电话线允许双向通信，电 量参数可双向传送。租用电话线方式进行数据通信时，由于可能同一时间有大量用户接入，线路接 续时阅较长，通常需几秒到几十秒。这方面使得管理中心对各采集站点进行监控实时性稍差， 电话 拨号慢、效率低的缺点。 采用电力载波通信技术通过输电线路实现电能量数据传输，是电力系统特有的通信方式。这种 通信方式的突出特点是能进行双向通信，其优点在于由于利用现有的电力线作为通信信道，电力线 完全由电力部门控制，不需要再投资铺设通信线路，不仅可以大大节约资金投入，而且有利于电力 部门的管理，同时信道不易破坏。高压电力线载波通信输送距离长，系统结构简单并被很好的维护， 但在配电线的传输上，由于高频电力载波容易经常变化i i i 显得难以预料和控制。为解决这一问题， 电力载波系统逐渐向低频方向发展，频率己从1 0 0 k h z 范围降到i o k h z 范围。但利用低压电力线作为传 输信道还存在一些问题。低压电力线载波通信传输性能较差，主要表现为电力线上高噪声、低阻抗、 损耗大、波动大、易受外界干扰等。虽然近年来采取扩频技术可在一定程度上弥补其不足，但它传 输距离还不够远的缺点致使现在还未大规模采用作为远程电量数据的传输手段。 除此之外，另为一种远程传输的途径一基：托p r s 技术的远程监控系统已初步发展起来，g p r s 是 通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的简称，是一种基于- g s m 系统的无线分组交换技 术，提供端到端的、广域的无线i p j 奎接。g p r s 网络的技术核心是在g s m 网络中传送分组数据业务。可 利用g p i c s 的i n t e r n e t 接入功能，以g p r s 无线网络和i n t e r n e t 为通道的通信模型。在这个系统中，终 端设备通过g p r s 无线网络连接到i n t e r n e t ，与客户端前置机( 具有上网功能) 进行通信。该系统相对 于传统的基于有线连接或基于g s m 短消息的远程监控系统具有很多优势，如：永远在线，连接时间短， 实时性强：设备成本不高，维护费用小：收费合理、价格便宜：连接速度快，适合不定期、长时间 的数据传输。而且g p r s 是为无线数据传输服务量身定造的，故基：j ：g p r s 的方案相对于以前的解决方 案具有无可比拟的巨大优势，具有很好的应用前景。 2 第一章绪论 1 3 远程抄表系统 传统的管理采用人工上户抄表的方式，浪费大量人力物力，用电管理工作劳动强度大，并给用 户带来不便。我国1 9 9 4 年开发了磁卡电度表，接着出现了i c 卡电度表历经几年的推广，直至今天才 开始在一定范围内得到应用。磁卡电度表可以节省抄表人员、减少用电管理的劳动强度，但是不能 给用户带来任何好处，也不能解决用电管理中的关键问题，它还存在造价高、易被破坏、易被造假， 不易发现窃电等弊病。1 9 9 6 年为了解决磁卡电度表所存在的问题，开始出现了远程抄表系统，即用 计算机通过各种通信方式，实现远程抄表。当时因为技术与设计原因，存在造价高、安装困难等问 题难以推广。经过数年的努力，现在的远程抄表系统已经具有了廉价、可靠、方便、开放的特点。 远程数据的采集与传输在实时数字通信系统中占有重要的地位。在现代化的电力系统内应用远程数 据采集与传输技术可以实现智能化管理，包括远程抄表、自动计费等功能。本论文研究和设计的 远程抄表系统可以实现数据读取和使用远程监控管理，具有读数准确、快速方便的优点，又节省了 传统人工抄表方式的人力物力。进一步开发研究，可实现多种功能的开发。本论文设计的远程抄表 系统由系统终端数据采集模块、集中器、远程抄表主站和包括有线无线等各种通信方式的通信网络 等部分构成。按照数据传输类型划分远程抄表系统可采用无线传输和有线传输。本设计系统中终 端数据采集模块与集中器之间的通信采用的是中国移动通信，即g p r s 。 i 4 本文的组织 1 4 1 远程终端数据通信接入技术 l4 2 远程抄表系统整体方案规划与设计 1 4 3 远程抄表系统终端电量采集模块设计 l4 4 远程电量监控软件规划 1 4 5 系统调试与试验 3 东南大学硕上学位论文 2 1 远程接入技术 第二章远程终端数据通信接入技术 变压器的若干电参数如电压、电流功率等必须通过载体进行传输到监控中心，这就必然涉及 到远程网络接入r n a ( r e m o t en e t w o r ka c c e s s ，简称远程接入) 技术。 r n a 是在开发软件的支持下，以有线或无线的方式，通过暂时、问断的网络连接，实现终端与信 息服务器中心之间的信息传送，为那些分散的大用户提供“网络接入”的服务，它的目的就是利用 现有的通信网络，在硬件电路和应用软件的协助之下，将远程终端连接到监控总站上。 变压器监控系统的远程接入也可以选择不同的通信网络来实现，比如p s t n 低压电力线载波通 信网、c a t v 和一般电台的无线通信、g p r s 等均可，不同的接入特性具有不同的特点。下面分别介绍 它们的功能、特点和优缺点等。 2 1 1 基于公共交换电话网一p s 侧 基于电话的自动抄表技术的应用已超过2 5 年了。因为电话线早已存在，故基于电话阿的抄表系 统是经济的和广泛使用的。因为电话线早己存在，电话拨入抄表系统( 从电表端到目的地) 是最经济 的和使用面最广泛的。这意味着电话系统的运行和维护由当地的电话公司负责，因此安装费用和每 月的服务费用可以节省下来。而对于电力部门来说，用电用户是深入每一个地方的，面积非常广， 故采用电话线通讯方式是经济、方便和有效的。 电话线允许双向通讯，用电数据b r 双向传送，因此在程序控制的访问里，能够通过电话传送信 号或先记录然后传送信号。当传送抄表数据时，可以提供新的访问时问表。传送次数可以在现场重 新编程，也可以在远方重新编程。 还有，基于电话的自动抄表系统通讯是无相互干扰的。即他们运行时，与客户使用电话没有冲 突。使用电话检查器来识别电话是否占线或客户是否拿起电话听筒。如果系统传送数据时，客户电 话占线，系统将会自动停止传送，稍后重新联系传送。而且，它能在任意场所安装自动抄表装置， 而不必在邻近现场安装。对于其它通讯方式，虽然它们具有先进的技术，但是它们需要高成本大规 模基本的建设，所以它们的使用面要小。 当然，电话线网也有它的缺点路续接入( 包括呼叫应答等) 时间较长，我们在租用电话线进行数 据通信时，通常需要几秒到几十秒。这一方面使得管理中心无法对用户实时监控：另一方面当集中器 数目较多时，租用电话线路多，其租用费用也很可观，因此不适合大容量系统。 2 1 2 基于低压电力载波通讯网 电力载波通讯方式首先通过电量采集板对变压器的电参数进行采集，然后将数据调制到一载波 上，在经过功率放大后通过耦合电路耦合到电力线上，通过电力线进行传输，在接收端归原出原有 的信号。信号带宽一般为5 0 - 3 0 0 k i t z ，峰值电压不超过i o v ，因此不会对电力线路造成不良影响。这种 方式虽然可以直接利用电力线进行传输，节省资源但仍然存在许多问题： 1 ) 我国的电网不纯净。在外国，公共电力网相当纯净，有专用滤波系统，保证数据在传输过程 中不会受外界干扰。 2 ) 电力线上的干扰非常大。数据在电网的传输过程中，经常受到无线电信号、电磁信号，脉冲 信号的干扰，导致出现传输数据丢码，错码的情况发生。 3 ) 不同地方的线路特性可能完全不同，使用线路的种类及线路上的负荷情况都会对高频信号在 电力线上的传输特性产生很大的影响。即使是同一段线路，其传输特性也会随各种电力负荷的改变 而改变。 近年来，随着信号处理技术的进步，尤其是扩频通讯技术的应用，对推动低压载波抄表技术的 进步起到了推动作用。所谓扩频通讯技术，就是展宽频带，使之远大于传送信号所必须的最小带宽， 4 第二章远程数据终端通信接入技术 以扩展频谱的方法换取信噪比的提高。频带的展宽是通过编码及调制的方法来实现的。在接收端则 用相同的扩频码进行相关解调来解扩，恢复所传送的信号数据。扩频通讯以宽带宽换取高信噪比， 亦即用宽带宽来换取低误码率。提高通讯的抗干扰能力、增强通讯的隐蔽性。理论上讲，扩频通讯 技术具有抗干扰能力较强，隐蔽性好和抗衰减等良好性能，可在一定程度上弥补普通低压电力线载 波通讯技术之不足。 应该看到关于低压载波通讯国内尚处于基于国外厂家研制生产的电力载波调制解调器载波模块 芯片的应用阶段，且应用水平不高。如果说国内有研究的话主要是停留在研究电网特性的层次上。 在我国将载波通讯技术应用于电能的自动抄表还未能取得十分令人满意的结果。面对我国许多地区 和地方低压电力线负荷接线杂乱、负荷变动性大、各种干扰严重等不利的载波通讯线路条件，现在 所采用的国外引进、国内开发的用于制作载波电度表的各种芯片还存在着这样或那样的缺陷和弱点。 由于这种监控方式的抗干扰性差，传输距离短，存在变压器阻隔等问题所以在国内仍处于研究之中。 2 1 3 基于有线电视网c t v 目前在我国有线电视网有两大优势：最后“一公里”带宽很宽2 覆盖率高于电信网。电信网形成 时，只是为了一个业务，那就是打电话而打电话只要求6 4 k 的带宽。所以整个网络的设计也就仅局 限于这6 4 k ，包括入户的双绞线。这样一来，电信网的“最后一公里”就成了瓶颈，限制了网络速度 的提高。尽管电信采取了i s d n ( 综合服务数字网) ，a d s l ( 非对称线性环路) ，目前可以做到1 0 9 ，删， 鲥，但在当前价位上提高的余地不大。再往前走成本将非常高。而有线电视的同轴电缆的带宽很 容易可以做到8 0 0 9 就现在的带宽需求而言，c a t v 网的最后“一公里”是畅通的 当然，由于有线电视网当初是用于广播式的电视传播。 总的来说，有线电视网相对电信网络具有以下优势： ，高传输速率 线路始终通畅( 不用拨号，没有忙音) 多用户使用一条线路( 包括完整的电视信号) 不占用公用电话线 提供真正的多媒体功能 有线电视网主要缺点是单向传送，使得监控管理中心实时呼叫无法很好实现。 2 1 4 基t 陷p r s 网 g p r s 是通用分组无线业务的简称，是一种基于g s m 系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广 域的无线i p 连接。是利用“包交换”的概念所发展出的一套无线传输方式。所谓包交换就是将d a t a 封装成许多独立的封包，再将这些封包一个一个传送出去，形式上有点类似寄包裹，采用包交换的 好处是只有在有资料需要传送时才占用频宽，而且可以以传输的资料量计价，这是比较合理的方式。 g p i c s 采用与g s g 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的t i ) g a 帧结构。这种新的分组数据信道与 当前的电路交换的话音业务信道极其相似，因此现有的基站子系统只要增加一些模块即可提o 轧；p r s 服务。g p r s 允许用户在分组交换模式下发送和接收数据。从而提供了一种高效、低成本的无线分组 数据业务分组交换的基本过程是把数据先分成若干个小的数据包，可通过不同的路由，以存储转 发的接力方式传送到目的端，而组装成完整的数据。分组交换基本上不是实时系统，延时也不固定， 但可以使不同的数据传输“共用”传输带宽：有数据时占用带宽，无数据时不占用，从而分享资源。 在g s n 无线系统中，无线信道资源非常宝贵。如采用电路交换。通信需要建立端到端的连接，信道只 能被一个用户独占，在成本效率上显然缺乏可行性。而采用分组交换的g p r s 则可灵活运用无线信道， 每一个用户可以有多个无线信道，而同一信道又可以由几个用户共享，从而极大地提高了无线资源 的利用率。在理论上，g p r s 可以将最多8 个时隙组合在一起。给用户提供高达i t l 2 k b p s 的带宽。 由t - 嚼p r s 用户的数据通信费是以数据流量为基础，而不考虑通信时长，所以g p r s 用于i p 业务的 接入将更为用户所接受。 s 东南大学硕士学位论文 g p r s 网络的技术核心是在g s m 网络中传送分组数据业务它的技术优势丰要体现在两个方面，即： 实现了用户数据与无线网络资源的最佳结合：实现了i p 协议的透明传送。与原有的g s m 比较，g p 醛 在数据业务的承载和支持上具自非常明显的优势。g p r s 的优点在于： 1 ) 永远在线只要激活g p r s 应用后，将永远保持在线，不存在掉线问题；类似于一种无线专线 网络 2 ) 高速传输。由于g p r s 采取了先进的分组交换方式，数据传输最高理论值可达1 7 1 2 k b s 因此， 本系统在一条可移动的信息高速公路上传递数据。 3 ) 按量收费。g p r s 按照本系统接收和发送数据的数量来收取费用，没有数据流量的传递时，即 便在线，也不收费。 4 ) 基于i p 协议可以访问整个i n t e r n e t 。 2 2 基于g p r $ 远程网络接入可行性分析 通过中国移动的g p i l s 网络系统，电力部门可将电表采集的电力系统数据实时传递到地，市、省 级的监控中心以实现对电力监测设备的统一监控和分布式管理。中国移动g p r s 系统可提供广域的 无线i p 连接。g p r s 网络可为电力系统提供简单高效的通信传输手段。在移动通信公司的g p r s 业务 平台上构建电力远程抄表系统，实现电表数据的无线数据传输具有可充分利用现有网络，缩短建设 周期，降低建设成本的优点，而且设备安装方便、维护简单。g p r s 电力远程抄表系统由位于电力局 的配电中心和位于居民小区的电表数据采集点组成，利用中国移动梦网现有的g p r s 网络，电表采集 得到的数据通过中国移动的g p r s 网络进行实时传输。 由于g p r s 通信是基于i p 地址的数据分组通信网络，配电中心计算机主机配置固定的i p 地址， 各个电表数据采集点采用g p r s 模块和该主控系统进行通信。 2 2 1 系统组成 i ，电表数据采集点： 电表数据采集点位于居民小区的信息中心，居民用户的用电数据由复费率电表首先通过r s 4 8 5 接口通过双绞线连接到位于小区信息中心的电表集中器电表集中器再通过r s 2 3 2 接口与s a r o g p r s d t u 相连。通过d t u 对数据进行处理、协议封装后通过g p i i s 网络传送至电力公司数据中心电力远程 抄表系统，实现电表数据和数据中心系统的实时在线连接。 电表集中器通过r s 4 8 5 接口直接连接到电表上，既可支持单个电表。也可以同时支持多个电表， 实现对电表参数的采集、存储、预处理或并将采集到的电表数据实时传送到配电中心；同时，电表 集中器还可将配电中心发送的遥控指令传给电表控制模块，对电表进行控制操作。 2 、配电中心。 配电中心服务器采用省移动通信公司提供的a p n 专线，与g p r s 网络相连。由于a p n 专线可提供 较高的带宽，当电表数据采集点数量增加，中心不用扩容即可满足需求。r a d i u s 服务器接受到g p r s 网络传来的数据后先进行a a a 认证，后传送到配电中心计算机主机，通过系统软件对数据进行还原 显示，并进行数据处理。计算机主机可进行业务管理和计费管理，对电力数据进行校验，计算、存 储、分析，管理等，可对异常情况进行告警，同时对用户使用情况实时监控，保证电力局的合法收 益 6 第二章远程数据终端通信接入技术 图2 - 1g p r s 电力远程抄表系统 3 、g p i c s 网络： 电表集中器采集的数据经g s h 网络空中接口功能模块同时对数据进行解码处理。转换成在公网数 据传送的格式，通过中国移动的g p i l s 无线数据网络进行传输，最终传送到配电中t m p 地址。由于g p r s 通信是基于i p 地址的数据分组通信网络，配电中心计算机主机配置固定的i p 地址，各个电表数据采 集点采用g p r sd t u 和该主机进行通信。 2 2 26 p r s 电力远程抄表系统具备如下特点 1 、建设成本少低 由于采用了g p 豁模式的无线平台，只需要在安装好固有设备，无需铺设专用线，前期投入少， 后期维护成本和升级成本低。 2 、集抄范围广 g p l l s 覆盖范围广，在无线g s m g p r s 网络的覆盖范围之内，都可以完成对远程监测站点的控制 和管理。而且，扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。 3 、实时性强 由于g p r s 具有实时在线特性，系统无时延，无需轮巡就可以同步接收、处理多个所有数据采 集点的数据。可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求 4 、可对电表设备进行远程控制 通过g p r s 双向系统还可实现对电表设备进行远程控制，进行参数调整，开关等控制操作。 5 、系统的传输容量大 配电数据中心要和每一个电表数据采集点保持实时连接。由于电表数据采集点数量众多，系统 要求能满足突发性数据传输的需要，而g p i l s 技术能很好地满足传输突发性数据的需要。 6 、数据传送速率高 每个电表数据采集点每次数据传输量在l o k b p s 之内。g p r s 网络传送速率理论上可达 1 7 1 2 k b i t s ，目前g p r s 实际数据传输速率在4 0 k b p s 左右，完全能满足本系统数据传输速率 ( 1 0 k b p s ) 的需求 7 、通信费用低 采用包月计费方式，运营成本低。 综合分析用g p r s 网建市的远程电量监控系统，利大于弊，能较为简单的实现变压器电参数的 远程传输功能，符合我国目前的国情，有着良好的应用前景 7 东南大学项上学位论文 2 2 3g p r s 的工作原理 g p r s i 作时是通过路由管理来进行寻址和建立数据连接的。而g p r s 的路由管理表现在以下3 个方面：移动终端发送数据的路由建立；移动终端接收数据的路由建立；以及移动终端处于漫游时数 据路由的建立。 图2 - 2g p r s 数据传输 对于第一种情况，当移动终端产生了一个p d u ( 分组数据单元) ，这个p d u 经过s n d c 层处理，称为 s n d c 数据单元。然后经过l l c 层处理为l l c 数据单元，通过空中接口送到g s m 网络中移动终端所处的 s g s n ，s g s n 把数据送到g g s n ，g g s n 把收到的消息进行解析处理，转换为可在公用数据网中传送的格 式( 如p s p d n 的p d u ) ，最终送给公用数据网的用户。为了提高传输效率，并保证数据传输的安全，可 以对空中接口上的数据做压缩和加密处理。 在第二种情况中，一个公用数据网用户传送数据到移动终端时，首先通过数据网的标准协议建 立数据网和g g s n 之间的路由。数据网用户发出的数据单元【如p s p d n 中的p d u ) ，通过建立好的路由把 数据单元p d u 送给g g s n ，而g g s n 冉把p d u 送给移动终端所在的s g s n 上g s n 把p d j 封装成s n d c 数据单元， 再经过l l c 层处理为l l c 帧单元。最终通过空中接口送给移动终端 第三种情况是一个数据网用户传送数据给一个正在漫游的移动用户。这种情况下的数据传送必 须要经过归属地的g g s n ，然后送到移动用户a 。 2 2 4g p r s 的应用 g p r s 是在现确 g s m 网络上开通的一种新型的分组数据传输业务，在有g p r s 承载业务支持的标准化 网络协议的基础上，g p r s 可以提供一系列交互式业务： 点对点面向连接的数据业务一该业务是为两个用户或者多个用户之间发送多分组的业务该业 务要求有建立连接、数据传送以及连接释放等工作程序。 单点对多点业务一该业务可以根据某个业务请求者的要求，把单一信息传送给多个用户。该业 务又可以分为点对多点多信道广播业务、点对多点群呼业务和i p 多点传播业务。 点对点无连接型网络业务一该业务中的各个数据分组彼此互相独立，用户之间的信息传输不需 要端到端的呼叫建立程序，分组的传送没有逻辑连接，分组的交付没有确认保护，是由i p 协议支持 的业务。 g p r s 除了提供点对点、点对多点的数据业务外，还能支持用户终端业务、补充业务、g s m 短消息 业务和各种g p r s 电信业务。 电能量智能监控及计费系统就是利用g p r s 进行数据传输，g p i l s 技术作为一种迎合g s m 移动通信市 场和全球因特网迅猛发展和日益融合析兴起的技术，将引导人们进入高速信息时代。它将渗透到各 8 第_ 章远程数据终端通信接入技术 个方面，在电力系统的能量分散和集中管理上，g p r s 也将会有一番作为。 g p 盼终端软件实现各模块的初始化、数据中心i p 地址和端口设置、上网指令及相关操作、状态 检测、数据处理等功能，可以使用专门的g p i l sd t u 模块实现。 系统中心软件的主要功能是实现接受发送u d p 或t c p 协议的i p 包，以实现与g p r s 终端的i p 协议通 信。实现通信后，中心软件预留接口，针对不同类型的应用数据格式与协议，进行s o c k e t 套接字编 程，进而实现监控系统的远程数据监控。 9 东南丈学硕士学位论文 3 1 系统概述 第三章远程抄表系统整体方案规划与设计 挨家挨户敲门查电表的方式，无论是对敲门的人来讲，还是对被敲门的人来讲，都是一件麻烦 的事情。现在已有许多住宅用户都用上了预付费电卡，省去了查表的麻烦，但对电力部门来说，数 据统计和实时监测仍然是一个有待解决的问题。 远程抄表系统是集现代数字通信技术、计算机软硬件技术、电能计量技术和电力营销技术为本 体的用电需求侧综合性的实时信息采集与分析处理设备。终端以公共移动通信网络为主要通讯载体， 通过多种通讯方式实现与系统主站之间的数据通讯，具有远程抄表、用电异常信息报警、电能质量 检测、负荷曲线管理和负荷控制管理等功能。 3 2 系统构建 各个监控现场一般距离主站系统较远，若要掌握多个监控现场的情况，把各个监控现场的电压、 电流、功率、以及度数等数据信息传送到主站系统，需要建立一个星型的测控通信网络，解决数据 远程传输问题。由于g p r s 通信是基于i p 地址的数据分组通信网络，配电中心计算机主机配置固定 的i p 地址，各个电表数据采集点采用g p r s 模块和该主机进行通信 3 2 1 远程电量监控系统的总体结构 整个监控系统由一个主站系统和若干个现场站点组成，而现场站点一般包含有前端数据采集器 和现场下位机。主站系统( 中央管理器) 主要工作是监视和记录各现场站点的工作状态，从而达到 远程控制现场站点的目的。现场站点主要对电量的各种参数进行采集与传送，中央管理器可对各现 场站点的历史记录进行查询，这样可以对电力运行过程中的各种参数和报警次数等进行统计分析， 从而达到对电力运行过程进行科学管理、预防事故发生的目的。中央管理器和各现场站点之间g p r s 相连，由中央管理器主动建立链接，现场站点接到呼叫后应答进行数据传输。这样做的好处是可以 避免多个现场站点同时呼叫，防止出现网络阻塞。 g p r s 数据传输方式及网络结构：通过g p r s 服务，设备可采用互联网i n t e r n e t 的标准方式与 在互联网上的服务器交换数据。g p i l s 的基础是以i p 包的形式进行数据的传输g p r s 无线终端接入 g p 脑网络的方法与普通有线m o d e m 类似，都采用建立p p p ( p o i n t t o - p o i n tp r o t o c 0 1 ) 连接方式。 p p p 协议是一种被广泛采用的串行点对点链路上传输数据包的方法，包括l c p 、p a p 、i p c p 、n c p 等。 g p r sm o d e m 通过p p p 协议获得动态分配的i p 地址。连接建立后在p p p 协议的基础上通过数据传输 协议如t c p 、u d p 等实现与互联网上其它计算机的数据通讯。 g p r s 传输方式：在远程终端。采集数据通过a d 接口送a g s m g p r s 无线通信控制终端， g s m g p r s 无线通信控制终端首先将数据打包成t c p i p 数据包再转换成g p i l s 数据包，通过无线 链路传送到无线数据交换中心( 岫e c ) 。1 4 d e c 再剥离g p p u s 数据包并通过g g s n 网关将t c p i p 数据包 传送到i n t e r n e t 再由i n t e r n e t 传送到通信控制计算机，通信控制计算机通过s o c k e t 套接字接受 t c p i p 数据包。并把它还原成原始数据。当数据由监控中心到远程终端方向时，情况是类似的。 第三章远程抄表系统筏体方案规划设计 图孓i 远程抄表系统构架 3 2 2 监测站点的硬件组成设计 监测站点由前端数据采集器和现场下位机构成，其中前端数据采集器采用c s 5 4 6 0 模块和l p c 9 3 2 单片机构成，它负责采集监控现场的各项数据并存储。三相交流电压和电流经接线端子直接接入数 据采集模块，由三相交流电压和电流可以测量出用电设备的相关的几个电量：三相电压u a u b ，u c 的真有效值；三相电流i a ，i b i c 的真有效值：三相有功功率p a , p b p c 。 线路的内部经过严格的电磁隔离，测量电路经过采样、a d 转换处理后形成的数字信号再经过 光电耦合由信号适配器向从单片机l p c 9 3 2 传送，主单片机与从单片机之间可采用u o 口模拟时序的 方式进行串口通信。 现场下位机部分是整个系统的工作核心，既负责和前端数据采集器之间的通信，又负责和中央 管理器的数据通信，即将转换和处理后的信号送到中央管理器还要负责和“时钟+ 看门狗”电路及 显示电路的通信。因此，这部分电路至关重要。针对系统的要求和实际应用条件的情况，选用高性 能的r a b b i t 单片机作为系统的监控核心r a b b i t 2 0 0 0 是专门为嵌入式控制通信和以太网连接而设 计的微处理器，具有非常低的电磁干扰。r a b b i t 2 0 0 0 是r a b b i t 半导体公司为嵌入式环境设计的高 性能低价位的8 位微处理器，以其c 语言友好指令集和快速数字处理功能而受到瞩目。r a b b i t 2 0 0 0 的结构以z i l o g 公司的原始z 8 0 微处理器为基础，但作了几项改进：不像z 8 0 指令集那样使用1 6 位 寻址覆盖存储空间，而用1 个2 0 位或1 兆字节的实际存储空间；采取直接与静态存储器相连接的方 式，有3 条存储芯片选择线路和2 组写入输出启动线路。r a b b i t 2 0 0 0 的系统工作频率最高可达2 9 4 9 删z ，r a b b i t 2 0 0 0 是一个8 位微处理器，其外部和内部数据总线都是8 位。但由于它最大限度地 使用了外部8 位数据总线，并且具有一套非常简洁的指令系统其性能远远超过了同类8 位微处理器t 甚至可以和